Tìm hiểu năng lượng mặt trời và phương pháp thu công suất cực đại - Khóa luận tốt nghiệp

Khóa luận tốt nghiệp GVHD ThS Lê Ngọc Tuân i TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 1 HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN NHÓM SINH VIÊN ĐƯỢC GIAO ĐỀ TÀI 1) ĐÀO KHOA ĐĂNG KHOA MSSV 16082491 2) NGUYỄN TRƯỜNG TÂN MSSV 16065561 3) LÊ CÔNG HẬU MSSV 16075641 4) TRẦN MINH TRÍ MSSV 16065521 2 TÊN ĐỀ TÀI TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PHƯƠNG PHÁP THU CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 3 NHIỆM VỤ ( NỘI DUNG VÀ SỐ LIỆU BAN ĐẦU) Giai đoạn 1 Tìm hiểu pin mặt trời, chọn pin 20 W, vẽ.

Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN/ NHÓM SINH VIÊN ĐƯỢC GIAO ĐỀ TÀI 1) ĐÀO KHOA ĐĂNG KHOA MSSV: 16082491 2) NGUYỄN TRƯỜNG TÂN MSSV: 16065561 3) LÊ CÔNG HẬU MSSV: 16075641 4) TRẦN MINH TRÍ MSSV: 16065521 TÊN ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PHƯƠNG PHÁP THU CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI NHIỆM VỤ ( NỘI DUNG VÀ SỐ LIỆU BAN ĐẦU) Giai đoạn 1: Tìm hiểu pin mặt trời, chọn pin 20 W, vẽ khung mơ hình, tính tốn tỉ lệ Giai đoạn 2: Tìm hiểu cách điều khiển tìm hiểu mpp Giai đoạn 3: Lập trình động vi xử lí mơ máy tính, tính tốn thơng số, so sánh Giai đoạn 4: Lắp đặt linh kiện thiết bị mơ demo phịng với đèn điện ( tính tốn thơng số, sửa lỗi có) Giai đoạn 5: Xong hết giai đoạn khơng có phát sinh lỗi đem mơ hình ngồi đo đạc đánh giá i Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân KẾT QUẢ DỰ KIẾN ( TÓM TẮT KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC ) Loại kết Loại I Mơ tả Thực - Thiết bị, máy móc ( mơ hình vật lý) Đã mua thiết bị ( pin mặt trời 20w, mppt, ác quy ) - Vật liệu 12 cấu đo điện tử led đoạn, dây điện jack cắm Loại II -Nguyên lý ứng dụng Các thuật toán MPPT thường sử dụng thiết kế điều khiển cho hệ thống điện mặt trời Các thuật toán gồm yếu tố xạ thay đổi ( ánh sáng mặt trời ) nhiệt độ để đảm bảo hệ thống PV tạo công suất tối đa lúc - Phương pháp Tìm hiểu giải thuật PO logic mờ so sánh phương pháp giải thuật để chọn phương pháp tối ưu - Tiêu chuẩn - Chương trình máy tính - Phần mềm máy tính Adruino,Autocad - Bản vẽ thiết kế Bản vẽ khung mơ hình pin mặt trời, vẽ mơ hình động điều hướng - Quy trình cơng nghệ - Phân tích dự án Loại III - Sơ đồ Có mạch tham khảo - Số liệu ii Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân - Báo cáo phân tích - Đề án, quy hoạch Loại IV - Bài báo So sánh phương pháp giải thuật thầy Nguyễn Thanh Thuận - Sách chuyên khoa - Giáo trình Giào trình điện tử cơng suất, lượng tái tạo - Tài liệu phục vụ giảng dạy ( giảng ) Slide lượng mặt trời thầy Vũ Hoàng Hải - Sản phẩm đăng ký sở hửu trí tuệ Khác - Giảng viên hướng dẫn Tp HCM, ngày tháng năm 2020 Sinh viên Trưởng mơn iii Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân iv Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân MỤC LỤC PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN/ NHÓM SINH VIÊN ĐƯỢC GIAO ĐỀ TÀI i TÊN ĐỀ TÀI: i TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PHƯƠNG PHÁP THU CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI i NHIỆM VỤ ( NỘI DUNG VÀ SỐ LIỆU BAN ĐẦU) i KẾT QUẢ DỰ KIẾN ( TÓM TẮT KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC ) ii NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN iv Lời cảm ơn xiii MỞ ĐẦU xiv Đặt vấn đề xiv Mục tiêu nghiên cứu xv 2.1 Mục tiêu lâu dài xv 2.2 Mục tiêu cụ thể xv Đối tượng nghiên cứu xv Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu xv 4.1 Cách tiếp cận xv 4.2 Phương pháp nghiên cứu xv Ý nghĩa thực tế xv CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm 1.2 Vị trí địa lý 1.2.1 Khái quát khí hậu Việt Nam 1.2.2 Cường độ xạ mặt trời khu vực lãnh thổ Việt Nam 1.3 Nhu cầu lượng 1.3.1 Nhu cầu tiêu thụ điện Việt Nam 1.3.2 Những thuận lợi việc sử dụng nguồn lượng 11 1.4 Xu hướng phát triển 12 1.5 Tình hình điều kiện phát triển giới 13 v Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân 1.5.1 Hai loại công nghệ điện mặt trời 13 1.5.1.1 Công nghệ hội tụ lượng mặt trời CSP 14 1.5.1.2 Công nghệ quang điện SPV 15 1.5.2 Tổng kết 18 1.6 Cơ sở vật lí pin lượng mặt trời 20 1.6.1 Lịch sử phát triển pin mặt trời 20 1.6.2 Nguyên lý pin mặt trời 22 1.6.3 Nền tảng pin mặt trời 23 1.6.4 Vật liệu hiệu suất 23 1.7 Phân loại pin mặt trời 24 1.7.1 Pin mặt trời Mono 24 1.7.2 Pin Mặt Trời Poly 25 1.7.3 Pin mặt trời dạng phim mỏng 25 1.7.4 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell) 26 1.8 Các mơ hình lượng mặt trời 28 1.8.1 Thiết bị sấy khô dùng lượng mặt trời 28 1.8.2 Bếp nấu dùng lượng mặt trời 28 1.8.3 Thiết bị đun nước nóng dùng NLMT 29 1.8.4 Hệ lượng mặt trời song song lai ghép nối lưới 30 1.8.5 Các nhà máy điện mặt trời lớn giới 32 1.9 Hệ pin mặt trời làm việc độc lập 35 1.9.1 Thành phần lưu giữ lượng 35 1.9.2 Các biến đổi bán dẫn hệ PV 36 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 41 2.1 Pin quang điện, cấu tạo nguyên lý hoạt động 41 2.1.1 Cấu tạo 41 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 42 2.1.3 Đặc tính làm việc pin mặt trời 45 2.2 Các biến đổi DC-DC hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập 49 2.2.1 Bộ biến đổi DC/DC 49 vi Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân 2.2.2 Điều khiển biến đổi DC-DC 52 2.3 Các hệ thống điều hướng 53 2.3.1 Hệ thống điều hướng xoay theo trục 54 2.3.2 Hệ thống điều khiển quay theo trục 55 2.4 Phương pháp dị tìm điểm cơng suất cực đại MPPT 56 2.4.1 Giới thiệu chung 56 2.4.2 Nguyên lí cân tải 57 2.4.3 Thuật toán xác định điểm làm việc có cơng suất lớn MPPT 57 2.4.3.1 Thuật toán nhiễu loạn quan sát P&O 58 2.4.3.2 Thuật tốn P&O điều kiện dãy PV bị bóng che phần 60 2.4.4 Phương pháp điều khiển MPPT 60 2.4.5 Giới hạn MPPT 60 2.5 Bộ lưu giữ lượng 61 2.5.1 Các đặc tính ắc quy 62 2.5.1.1 Dung lượng 62 2.5.1.2 Điện áp ngưỡng thấp 62 2.5.1.3 Điện áp hở mạch 63 2.5.2 Chế độ làm việc ắc quy 63 2.5.2.1 Nạp ắc quy 63 2.5.2.2 Ắc quy phóng 63 2.5.3 Các chế độ nạp nguồn ắc quy 63 2.5.3.1 Nạp với dịng khơng đổi 64 2.5.3.2 Nạp với áp không đổi 64 2.5.3.3 Nạp 65 Chương THUẬT TỐN DỊ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) 66 3.1 Giải thuật P&O (Perturb & Observe) 66 3.1.1 Lưu đồ giải thuật P&O 67 3.1.2 Nhược điểm giải thuật P&O 67 3.2 Giải thuật P&O cải tiến 69 3.2.1 Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến 71 vii Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân 3.3 Phương pháp tăng tổng dẫn (Incremental Conductance) 71 3.3.1 Lưu đồ giải thuật tăng tổng dẫn 73 3.4 Nhận xét chung 73 Chương THI CƠNG MƠ HÌNH 75 4.1 Phân tích, chọn phương án kích thước mơ hình 75 4.1.1 Phân tích chọn phương án 75 4.1.2 Ưu điểm nhược điểm phương án 75 4.2 Lựa chọn chi tiết cho mơ hình 77 4.2.1 Lựa chọn chi tiết khung 77 4.2.2 Lựa chọn thiết bị 77 4.2.2.1 Động servo 77 4.3 Cách thức vận hành 79 4.3.1 Phần điều khiển 79 4.3.1.1 Phần mềm 79 4.3.1.2 Adruino R3 79 4.3.1.3 Code 83 Tài liệu tham khảo 85 viii Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Bản đồ tổng lượng xạ mặt trời tồn cầu trung bình/năm (Kwh/m2) Hình 1.2 Khí hậu nhiệt đới gió mùa Hình 1.3: Bản đồ xạ mặt trời Việt Nam Hình 1.4 Modul thu chuyển đổi lượng mặt trời 13 Hình 1.5: Nhà máy lượng mặt trời loại hội tụ nhiệt 14 Hình 1.6: Mơ hình nhà máy điện mặt trời loại hội tụ nhiệt 15 Hình 1.7: Mơ hình cấu tạo ngun lý pin chất liệu Crystalline silicon 16 Hình 1.8: Tấm pin làm chất liệu Crystalline silicon 17 Hình 1.9: Tấm pin Thin-film solar cells 18 Hình 1.10: Cấu tạo nguyên tử chất bán dẫn loại p loại n 22 Hình 1.11: Pin mặt trời Mono 24 Hình 1.12: Pin mặt trời Poly 25 Hình 1.13: Pin mặt trời dạng phin mõng 26 Hình 1.14: Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC 27 Hình 1.15: Thiết bị sấy khô dùng lượng mặt trời 28 Hình 1.16 : Bếp lượng Mặt Trời 29 Hình 1.17: Bộ thiết bị đung nóng lượng mặt trời 29 Hình 1.18 : Hệ thống pin mặt trời ghép song song với lưới 30 Hình 1.19: Hệ thống sản xuất điện mặt trời hịa lưới có lưu trữ 31 Hình 1.20: Nhà máy điện mặt trời Topaz Solar Farmlaf nhà máy điện quang số với công suất lên đến 550 MW 33 Hình 1.21: Hệ thống nhà máy điện quảng ngãi 34 Hình 1.22 : Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc đọc lập 35 Hình 1.23 : Bộ điều khiển MPPT hệ thống pin mặt trời 37 Hình 1.24: Bộ điều khiển sạc PWM 38 Hình 1.25: Bộ điều khiển sạc MPPT 39 Hình 2.1: Cấu tạo pin mặt trời 41 Hình 2.2: Nguyên lí làm việc pin mặt trời 42 ix Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tn Hình 2.3: Hệ thống mức lượng 𝐸1 < 𝐸2 42 Hình 2.4: Các vùng lượng 43 Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động pin mặt trời 44 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động pin mặt trời 44 Hình 2.7: Đường đặc tính làm việc V-I pin mặt trời 46 Hình 2.8: Sơ đồ tương đương pin mặt trời 46 Hình 2.9: Đường cong đặc trưng V-I pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ xạ mặt trời 47 Hình 2.10: Đường cong đặc tính V-I pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt độ pin 48 Hình 2.11: Đường đặc tính tải đặc tính pin mặt trời 48 Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý giảm áp Buck 50 Hình 2.13: Dạng sóng điện áp dòng điện mạch Buck 50 Hình 2.14: Mạch vịng điều khiển điện áp 52 Hình 2.15: Mạch vịng dịng điện phản hổi 53 Hình 2.16: Các loại mơ hình trục trục định hướng pin mặt trời 53 Hình 2.17: Hệ thống điều hướng quay theo trục 55 Hình 2.18: Ví dụ pin mặt trười mắc nối tiếp với tải trở thay đổi giá trị điện trở 56 Hình 2.19: Đường đặc tính làm việc pin tải trở có giá trị điện trở thay đổi 56 Hình 2.20: Đường đặc tính làm việc I-V pin cường độ xạ thay đổi mức nhiệt độ 58 Hình 2.21: Đặc tính làm việc I-V pin nhiệt độ thay đổi mức cường độ xạ 58 Hình 2.22: Thuật tốn dị tìm điểm làm việc có cơng suất lớn P&O 59 Hình 2.23 Đường cong P-V điều kiện dãy PV bị bóng che phần 60 Hình 3.1: Đặc tính cơng suất phụ thuộc điện áp đầu 66 Hình 3.2: Lưu đồ giải thuật P&O 67 Hình 3.3 : Hệ pin PV phát lượng với lưới 68 Hình 3.4: Khi chiêu độ thay đổi điểm công suất cực đại sai theo giải thuật P&O 68 x Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân dòng pin Bởi bỏ qua thao tác cắt thỏi Silicon nên loại pin mặt trời dạng phim mỏng xem có giá mềm so với hai loại pin Mono Poly Giữa loại pin mặt trời pin lượng mặt trời loại tốt? Mỗi loại pin tạo có hiệu ưu điểm riêng Về hiệu suất chuyển đổi quang thành điện tế bào quang điện dòng pin lượng mặt trời Polycrystalline, Monocrystalline, Thin film, Amorphous pin lượng mặt trời mono có hiệu suất cao nhất, với diện tích mono sản sinh nhiều điện Hình 1.13: Pin mặt trời dạng phin mõng 1.7.4 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell) DSC loại pin mặt trời mới, giá rẻ, dễ làm Loại pin Michael Gratzel trường Bách khoa Lausane (Thuỵ Sĩ) chế tạo lần đầu vào năm 1991 nên cịn có tên pin Gratzel Pin DSC hoạt động sau: ánh sáng mặt trời qua kính, qua lớp điện cực suốt SnO2-F chiếu vào chất màu nhạy quang dính bề mặt hạt TiO2 Photon kích 26 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân thích phân tử chất màu nhạy quang làm cho electron bị bứt nhảy vào miền dẫn TiO2 từ dễ dàng chuyển động chạy điện cực suốt phía Khi bị electron để nhận thêm cho phân tử không bị phân huỷ Phân tử chất màu nhạy quang lấy electron iôt dung dịch điện phân, biến anion iôt I- thành anion iôt ba I3- Các anion iôt tiếp xúc với điện cực kim loại lấy lại electron từ điện cực suốt qua mạch chạy điện cực kim loại Cấu tạo nguyên thuỷ pin DSC gồm ba phần (hình 2.7) Trên lớp mỏng chất dẫn điện suốt, đóng vai trị anode làm oxyt thiếc pha tạp fluo (SnO2: F) Lớp phủ lên thuỷ tinh suốt Tiếp lớp có diện tích bề mặt lớn Lớp dẫn điện SnO2: F lớp hạt bột oxyt titan TiO2 nhúng vào hỗn hợp chất màu nhạy quang ruthenium - polypyridin dung môi Sau nhúng, lớp mỏng chất màu nhạy quang bám dính vào hạt TiO2 liên kết cộng hố trị Hình 1.14: Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC 27 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tn 1.8 Các mơ hình lượng mặt trời 1.8.1 Thiết bị sấy khô dùng lượng mặt trời Phương pháp sấy khô sản phẩm máy sấy lượng Mặt Trời ứng dụng công nghệ đầy tiềm ngành công nghiệp lượng Công nghệ sấy vi sóng giúp giảm mức tiêu thụ lượng xuống tới 30%, nâng cao hiệu sấy gấp 40 lần giảm giá thành sản phẩm xuống thấp so với q trình truyền thống Các máy sấy, lị sấy vi sóng dần nhận quan tâm tin tưởng người dùng thực mang lại hiệu sản xuất chế biến công nghiệp Hình 1.15: Thiết bị sấy khơ dùng lượng mặt trời 1.8.2 Bếp nấu dùng lượng mặt trời Bếp lượng Mặt Trời thiết bị giữ tia nắng dùng lượng để đun nấu loại thực phẩm đun nước sôi 28 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tn Hình 1.16 : Bếp lượng Mặt Trời Một thiết kế gồm thau nhôm, cách ly tốt đặt hộp gỗ Một kiếng đậy miệng thau có gắn với phản chiếu phía sau 1.8.3 Thiết bị đun nước nóng dùng NLMT Hình 1.17: Bộ thiết bị đung nóng lượng mặt trời Bộ thiết bị bắt đầu ứng dụng tham gia vào thị trường lượng Nó bao gồm ống nước phủ hợp chất hấp thụ ánh sáng mặt trời, biến 29 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân quang thành nhiệt năng, làm cho nước thiết bị nóng lên tới nhiệt độ từ 4085°C, tùy theo mức độ ánh nắng ngày thời điểm cụ thể Một ưu điểm thiết bị lắp đặt riêng cho gia đình sử dụng, ghép nối nhiều module thành lợp lớn mái nhà, nhằm cung cấp khơng hạn chế nước nóng cho nhu cầu sử dụng lớn nhà máy, trường học, công sở, khách sạn v.v 1.8.4 Hệ lượng mặt trời song song lai ghép nối lưới Là hệ thống kết hợp hai hệ thống Hệ thống khắc phục nhược điểm điện khơng có điện lưới quốc gia Hệ thống giúp giảm chi phí tiền điện hàng tháng, nguồn lượng bền vững Chi phí đầu tư cho hệ thống thấp, mang lại hiệu kinh tế khơng tốn chi phí Vì hệ thống khơng sử dụng ắc quy phí đầu tư, bảo dưỡng thấp dễ dàng nâng cấp, mở rộng hệ thống Hình 1.18 : Hệ thống pin mặt trời ghép song song với lưới Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng biến đổi thành điện năng, tạo dòng điện chiều (DC) Dòng điện dẫn tới điều khiển thiết bị điện tử có chức điều hồ tự động q trình nạp điện vào ắc-quy phóng điện từ ắc-quy thiết bị điện chiều (DC) Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, mạch điện lắp 30 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân thêm đổi điện để chuyển dòng chiều thành dòng xoay chiều (AC), chạy thêm nhiều thiết bị điện gia dụng (đèn, quạt, radio, TV…) Hình 1.19: Hệ thống sản xuất điện mặt trời hịa lưới có lưu trữ Mô tả hoạt động hệ thống: Đây tích hợp hai hệ thống thành hệ thống liên hoàn bao gồm: Hệ thống Sản xuất điện từ mặt trời thành điện 220VAC/50Hz bổ sung vào điện lưới (On grid) Hệ thống lưu trữ biến đổi điện điện từ mặt trời thành điện 220VAC/50Hz (Off grid) Tuy nhiên, sử dụng hệ thống cách độc lập tùy theo nhu cầu cụ thể Khi khởi động, Battery bank ưu tiên nạp điện từ mặt trời đầy Lúc Grid-Tie Solar Inverter (GTSI) chưa làm việc Khi Battery bank đầy Inverter-Solar Charger (ISC) ngưng sạc GTSI hoạt động: Biến đổi điện DC từ Solar panel thành điện AC 220V có điện áp, tần số - pha 31 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân trùng với điện lưới hòa trực tiếp vào lưới điện – Việc bán điện thơng qua đồng hồ W1 Khi có điện lưới, điện cho tải thông thường tải ưu tiên cấp qua đồng hồ điện W2 (điện mua) - ISC lúc chế độ On grid Khi mắc điện lưới, ISC lấy điện DC từ Battery bank Solar để biến đổi thành điện AC 220V cung cấp cho tải ưu tiên Đồng thời GTSI ngưng làm việc 1.8.5 Các nhà máy điện mặt trời lớn giới Một tranh tổng quát tình hình phát triển lĩnh vực điện mặt trời giới sau: Phát triển chậm chạp năm cuối kỷ 20 đầu kỷ 21 Trong khoảng năm trở lại phát triển mang tính bột phát Cụ thể, số lượng nước giới gia nhập cộng đồng điện mặt trời ngày nhiều thêm Và thứ bậc theo tổng công suất điện mặt trời biến động từ năm sang năm khác Chỉ năm trở lại cường quốc điện mặt trời có tên vị trí từ đến thay đổi liên tục Đức, Tây Ban Nha, Ấn Độ, Trung Quốc, Mỹ Một năm trước, tức đầu năm 2014 thứ bậc cường quộc điện mặt trời xếp theo thứ tự tổng cơng suất tính Gigawatt (con số đầu) tỷ lệ điện mặt trời tổng điện quốc gia (con số thứ hai) sau: Nước Đức (35,65 GW; 5,3%), Ý (18 GW; 9%), Trung Quốc (17,7 GW; 0,1%), Nhật (11,86 GW; 0,8%) Hoa Kỳ (11,42 GW; 0,3 %) Ở nước Mỹ (Hoa Kỳ) trường hợp đặc biệt Nước bước vào đường phát triển điện mặt trời muộn màng, tốc độ cách ấn tượng thể tiềm lớn quốc gia cường quốc giàu mạnh giới Điều chứng tỏ tổng cơng suất diện tích lắp đặt nhà máy lượng mặt trời Mỹ tăng đột biến 32 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân Cụ thể, theo số liệu từ quan thống kê, riêng năm qua 2014 tiêu Mỹ tăng gấp đôi khả năm 2015 tiếp tục tăng lên với tốc độ Năng lượng tái tạo nói chung lượng mặt trời nói riêng phạm vi tồn cầu phát triển liên tục với tốc độ ngày cao Đặc biệt, năm gần đây, công nghệ lượng mặt trời chiếm ưu thế, đó, cơng nghệ điện PSV đạt tốc độ tăng trưởng cao nhất, 55%/năm, cơng nghệ CSP có tốc độ tăng trưởng trung bình 18,8%/năm Các công nghệ lượng mặt trời phát triển vượt qua công nghệ lượng tái tạo khác điện gió, sinh khối thủy điện Hình 1.20: Nhà máy điện mặt trời Topaz Solar Farmlaf nhà máy điện quang số với công suất lên đến 550 MW Các nguyên nhân phát triển mạnh công nghệ lượng mặt trời gồm: (1) Năng lượng mặt trời nguồn lượng sạch, vô tận phân bố khắp tồn cầu; (2) Giá thiết bị cơng nghệ lượng mặt trời (như mô đun PSV, CSP…) giảm nhanh; (3) Các yêu cầu an ninh lượng; (4) Các yêu cầu cấp bách bảo vệ môi trường Sự phát triển công nghệ lượng mặt trời tạo ngành công nghiệp gọi công nghiệp lượng mặt trời, tạo hàng triệu công ăn việc làm (năm 2013 tạo gần 6,5 triệu), góp phần phát triển kinh tế, xã hội, bảo vệ môi trường tăng cường an ninh lượng nhiều quốc gia giới Một nguyên nhân quan trọng khác phát triển mạnh mẽ lượng mặt trời nói riêng lượng tái tạo nói chung quan tâm phủ việc 33 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân xây dựng, ban hành thực sách phù hợp Đến 2013, có 70% nước giới có sách lượng mặt trời lượng tái tạo Đến điện pin mặt trời, nhiệt mặt trời nhiệt điện CSP cạnh tranh với nguồn lượng truyền thống khác Nhiều khu vực, vùng lãnh thổ giới đặt mục tiêu đến năm 2020 sử dụng 100% lượng tái tạo Xu phát triển lượng tái tạo toàn cầu chuyển dần sang phát triển công nghệ lượng mặt trời, cơng nghệ điện pin mặt trời có vai trị quan trọng Do có tính cạnh tranh cao nên đến số nước giảm hay chí bỏ hẳn sách hỗ trợ lượng mặt trời công nghệ không ngừng phát triển Việt Nam đánh giá có nguồn tài nguyên lượng mặt trời vào loại tốt giới Nguồn lượng tiềm lớn hồn tồn tham gia đóng góp vào cân nang lượng quốc gia Cho đến nay, hoạt động nghiên cứu khai thác, ứng dụng lượng mặt trời cịn hạn chế, trình độ thấp, quy mô nhỏ lẻ, manh mún tự phát Lý cho trì trễ chưa có sách lượng tái tạo nói chung lượng mặt trời nói riêng Hình 1.21: Hệ thống nhà máy điện quảng ngãi 34 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân 1.9 Hệ pin mặt trời làm việc độc lập Hệ pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic system) nhìn chung chia thành loại bản: - Hệ PV làm việc độc lập - Hệ PV làm việc với lưới Hệ PV độc lập thường sử dụng vùng xa xôi hẻo lánh, nơi mà lưới điện không kéo đến Còn hệ PV làm việc với lưới, mạng lưới pin mặt trời mắc với lưới điện qua biến đổi mà không cần dự trữ lượng Trong hệ này, biến đổi DC/AC làm việc với lưới phải đồng với lưới điện tần số điện áp Trong đề tài nghiên cứu hệ PV làm việc độc lập Bộ biến đổi DC-DC Pin mặt trời MPPT Ắc quy Tải chiều Hình 1.22 : Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc đọc lập Hệ PV làm việc độc lập gồm có thành phần là: - Thành phần lưu giữ lượng - Các biến đổi bán dẫn 1.9.1 Thành phần lưu giữ lượng Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện để phục vụ cho tải thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm Có nhiều phương pháp lưu trữ lượng hệ PV Phổ biến sử dụng ắc quy để lưu trữ lượng Ắc quy cần phải có điều khiển nạp để bảo vệ đảm bảo cho tuổi thọ ắc quy 35 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân 1.9.2 Các biến đổi bán dẫn hệ PV Các bán dẫn hệ PV gồm có biến đổi chiều DC - DC biến đổi DC- AC Nhưng đề tài chúng em tìm hiểu chuyển đổi chiều DC-DC để phục vụ cho việc thiết kế mơ hình Bộ DC - DC dùng để xác định điểm làm việc có cơng suất lớn pin làm ổn định nguồn điện chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho tải ắc quy Bộ biến đổi DC - DC cịn có tác dụng điều khiển chế độ nạp phóng để bảo vệ nâng cao tuổi thọ cho ắc quy Có nhiều loại biến đổi DC - DC sử dụng phổ biến loại là: Bộ tăng áp Boost, Bộ giảm áp Buck Bộ hỗn hợp tăng giảm Boost – Buck Cả loại DC - DC sử dụng nguyên tắc đóng mở khóa điện tử theo chu kỳ tính tốn sẵn để đạt mục đích sử dụng Tùy theo mục đích nhu cầu mà DC - DC lựa chọn cho thích hợp. Khóa điện tử mạch DC - DC điều khiển đóng cắt chu kỳ Mạch điều khiển khóa điện tử kết hợp với thuật toán xác định điểm làm việc tối ưu (Maximum Power Point Tracking) để đảm bảo cho hệ quang điện làm việc hiệu  Phương pháp điều khiển MPPT MPPT (Maximum Power Point Tracker) phương pháp dị tìm điểm làm việc có cơng suất tối ưu hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khố điện tử dùng DC - DC Phương pháp MPPT sử dụng phổ biến hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập dần áp dụng hệ quang điện hòa với lưới MPPT (Maximum Power Point Tracking) chất thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV với tải khuếch đại nguồn công suất khỏi nguồn pin mặt trời điều kiện làm việc thay đổi, từ cao hiệu suất làm việc hệ MPPT ghép nối với biến đổi DC-DC điều khiển 36 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân Hình 1.23 : Bộ điều khiển MPPT hệ thống pin mặt trời Bộ điều khiển MPPT điều khiển tương tự truyền thống Tuy nhiên, việc sử dụng điều khiển số ngày thịnh hành có nhiều ưu điểm điều khiển tương tự Thứ là, điều khiển số lập trình khả thực thuật toán cao cấp dễ dàng Mặt khác điều khiển số không bị ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ thời gian hoạt động rời rạc, bên ngồi thành phần tuyến tính Vì vậy, điều khiển số có trạng thái ổn định lâu Khơng có vậy, điều khiển MPPT số không phụ thuộc vào dung sai phận khác thực thuật tốn phần mềm, nơi mà thơng số giữ ổn định thay đổi Bộ điều khiển loại cho phép giảm số lượng thành phần dùng chíp đơn để làm nhiều nhiệm vụ khác Nhiều điều khiển số trang bị thêm biến đổi A/D nhiều lần nguồn tạo xung PWM, điều khiển nhiều thiết bị với điều khiển đơn lẻ Bộ điều khiển sạc lượng mặt trời (Solar charge controller) thiết bị trung gian quản lý lượng từ pin mặt trời vào hệ thống ắc quy lưu trữ điện Nó đảm bảo cho ắc quy lưu trữ, giữ chu kỳ xả sâu tránh khỏi trường hợp sạc mức vào nguồn điện không chạy ngược trở lại pin lượng mặt trời vào ban đêm, làm cạn kiệt ắc quy Một số điều khiển sạc điện mặt trời cao cấp có thêm tính bổ sung điều khiển ánh sáng tải, nhìn chung nhiệm vụ quản lý lượng 37 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân Trong hệ thống điện lượng mặt trời có sử dụng pin lưu trữ điện mặt trời cần có cơng cụ điều chỉnh dịng lượng nạp vào pin lưu trữ, ngăn chặn việc sạc pin mức ngăn chặn khả gây thiệt hại cho toàn hệ thống Và thiết bị giúp làm việc điều khiển sạc pin lượng mặt trời Một điều khiển sạc thị trường có loại phổ biến với cơng nghệ khác PWM MPPT Cách vận hành chúng khác Nhìn chung điều khiển sạc MPPT đắt vận hành với nhiều tính hiệu PWM  Bộ điều khiển sạc PWM Hình 1.24: Bộ điều khiển sạc PWM Bộ điều khiển sạc pin mặt trời PWM (Pulse Width Modulation) điều biến độ rộng xung Bộ điều khiển sạc PWM có cơng dụng làm chậm tốc độ truyền lượng vào pin sạc đầy Chế độ sạc PWM hiểu công tắc điện tử sê-ri (MOSFET) mạch pin PV ắc quy lưu trữ Dạng sóng PWM tạo vi xử lý để điều khiển bật/tắt công tắc điện tử, để điều khiển dịng sạc trung bình pin PV đạt điện áp sạc trung bình pin 38 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân  Bộ điều khiển sạc MPPT Hình 1.25: Bộ điều khiển sạc MPPT Bộ điều khiển sạc MPPT thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện pin PV với tải để khuyếch đại nguồn công suất khỏi nguồn pin mặt trời điều kiện làm việc thay đổi, từ nâng cao hiệu suất làm việc hệ MPPT ghép nối với biến đổi DC/DC điều khiển Nói cách khác điều khiển sạc MPPT giúp chuyển đổi dịng điện DC có điện áp cao từ pin mặt trời xuống mức điện áp thấp cần thiết để sạc ắc quy điện mặt trời Pin lượng mặt trời thiết bị cố định, khơng có chức điều chỉnh thơng minh Hầu hết pin lượng mặt trời tạo với mức điện áp định mức 12V, thực tế đưa điện áp dao động từ 16 đến 18V Khi sạc, phần lớn loại ắc quy đòi hỏi điện áp khoảng 13.2 đến 14.4V để sạc đầy, có khác biệt điện áp với hầu hết loại pin mặt trời Vì MPPT giúp đưa điện áp dòng điện sản xuất từ pin mức điện áp phù hợp với pin sạc dự phòng lượng mặt trời 39 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân Sự khác biệt sạc PWM điều khiển sạc MPPT  Công nghệ sạc PWM (Pulse Width Modulation) - Bộ điều khiển sạc PWM (Pulse Width Modulation) sử dụng thuật toán phức tạp để xác định lượng điện tích vào ắc quy từ từ giảm dần ắc quy đầy - Điều khiển sạc PWM giống switch chuyển đổi kết nối hệ thống giàn pin lượng mặt trời vào ắc quy - Bộ điều khiển sạc PWM sử dụng mạch điện tử transistor đóng cắt liên tục với tần số cao để ổn áp cho sạc ắc quy, phương pháp có nhược điểm lớn làm hao phí khoảng 20% lượng điện sạc từ hệ thống giàn pin lượng mặt trời  Công nghệ sạc MPPT (Maximum Power Point Tracking) - Bộ điều khiển sạc theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) thực tế bảng điều khiển lượng mặt trời, theo dõi, giám sát đầu để tự động khớp điện áp pin tạo với điện áp của ắc quy nhằm tối đa hiệu suất sạc - MPPT phương pháp dị tìm điểm làm việc có cơng suất tối ưu hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kì đóng mở khóa điện tử dùng DC/DC - Công nghệ điều khiển sạc theo dõi điểm công suất tối đa MPPT giúp ta thu nhiều lượng từ pin lượng mặt trời Hiệu phương pháp vượt trội khoảng từ 10% đến 40% pin có nhiệt độ thấp khoảng 45℃ nhiệt độ cao 75℃, cường độ xạ ánh sáng mặt trời thấp - Khi điều kiện nhiệt độ cao cường độ xạ thấp, điện áp đầu pin lượng giảm đáng kể, thêm nhiều cell cần kết nối vào dãy pin để đảm bảo điện áp đầu dãy pin phải cao điện áp ắc quy Đây điểm yếu sử dụng điều khiển sạc PWM Chính việc sử dụng điều khiển sạc MPPT, nối tiếp nhiều cell pin với điện áp cao hơn, giảm cường độ dòng điện 40 ... dài Tìm hiểu hệ lượng mặt trời với phương pháp để thu công suất cực đại hệ lượng mặt trời, chuyển đổi DC-DC 2.2 Mục tiêu cụ thể Tìm hiểu hệ lượng mặt trời với phương pháp để thu công suất cực đại. .. “ Tìm hiểu hệ lượng mặt trời với phương pháp để thu công suất cực đại hệ lượng mặt trời chuyển đổi DC-DC” Với kết nhận là: Hiểu rõ ứng dụng thành công việc sử dụng nguồn lượng mặt trời dựa vào... khiển tối ưu thu lượng mặt trời xiv Khóa luận tốt nghiệp GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân Đề tài cho ta nhìn tổng quan hệ lượng mặt trời với phương pháp để thu công suất cực đại hệ lượng mặt trời chuyển